[發(fā)明專利]非交換量子幾何相位磁強計

有效

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• 申請日: 2018-01-11
• 公開（公告）號: CN108181594B
• 公開（公告）日: 2020-06-09
• 發(fā)明（設計）人: 馬宗敏;劉俊;石云波;袁華;唐軍;張少文;傅月平
• 申請（專利權）人: 中北大學
• 主分類號: G01C19/60
• 分類號: G01C19/60
• 代理公司: 太原科衛(wèi)專利事務所(普通合伙) 14100
• 代理人: 朱源

本發(fā)明涉及原子磁強計，具體為一種非交換量子幾何相位磁強計，包括光學激發(fā)模塊、信號采集模塊和反饋控制模塊；其中光學激發(fā)模塊包括激光器、偏振片、第一凸透鏡、AOM聲光調(diào)制器、第二凸透鏡、第三凸透鏡、金剛石、微波天線、電場線以及信號發(fā)生器；信號采集模塊包括放大濾波模塊、鎖相放大器、數(shù)據(jù)采集卡、示波器；反饋控制模塊包括PLL電路、微波源和PID控制器。本發(fā)明結合MEMS技術、光激發(fā)、量子調(diào)控等前沿技術，在激光、磁場、微波多物理場作用下對NV色心自旋態(tài)能級進行調(diào)控，通過高性能光電檢測技術進行熒光數(shù)量布居變化進行收集和讀取，利用微波鎖頻技術進行信號高性能檢測，研制高性能非交換量子幾何相位NV色心磁強計。

技術領域

本發(fā)明涉及原子磁強計，具體為一種非交換量子幾何相位磁強計。

背景技術

原子磁強計是利用原子在磁場中分裂出的塞曼能級躍遷所構成的一種量子儀器。它們的精確度高于經(jīng)典磁強計兩個數(shù)量級以上，測量范圍上起25T下至10^-14T,幾乎覆蓋了現(xiàn)今所能獲得的磁場范圍。

塞曼能級躍遷在磁共振的經(jīng)典解釋中可以看作自旋磁矩在磁場中的進動。塞曼躍遷頻率在磁共振中稱拉莫爾(Larmor)進動頻率。ω_L＝γH，式中ω_L為拉莫爾頻率，γ為樣品的磁旋比，對于一定的自旋粒子是一個常數(shù)，H為被測磁場。可由測量頻率而精確測量磁場，因而大大提高了磁場測量的精度。當自旋粒子為電子時稱電子自旋共振或稱電子順磁共振，自旋粒子為原子時稱核磁共振。兩者都能用來測量磁場。由于電子質(zhì)量比核質(zhì)量小上千倍,共振頻率也高上千倍。因此用電子順磁共振測大磁場時,頻率在微波段,裝置比較復雜。而測小磁場時,由于線寬太大而不能得到高的精度。故在磁場測量中廣泛應用的是核磁共振。

通用的磁強計技術主要有以下分類：基于密閉氣室的堿金屬-惰性氣體原子磁強計(氣態(tài)磁強計)，SQUID磁強計以及基于固態(tài)自旋的磁強計。

氣態(tài)磁強計由密閉氣室的堿金屬和惰性氣體原子組成核心單元，當受到外部光束照射時，內(nèi)部原子完成光泵浦過程，吸收能量向高能級躍遷，經(jīng)一段時間以后回落至低能態(tài)。在這個過程中，如果有外部場作用，能級發(fā)生偏移，通過透射光的旋轉偏振態(tài)變化測量得到外部場的變化。這種磁強計又分為標量原子磁強計和SERF(無自旋交換弛豫)磁強計，氣態(tài)磁強計的優(yōu)點是靈敏度高(迄今已經(jīng)達到0.54fTHz^-1/2)。

基于電學的磁強計：超高量子干涉儀磁強計(SQUID)：由Josephson結組成的超導環(huán)構成。SQUID分為射頻、直流和弛豫型SQUID組成。SQUID磁強計的優(yōu)點是噪聲低，低頻端為1/f噪聲，在1kHz的噪聲水平10fTHz^-1/2,低溫情況下變?yōu)榘自肼?4.2K)。

掃描霍爾探針磁強計：通過由二維電子氣材料經(jīng)過標準半導體加工組成的霍爾傳感器檢測隧道電流的變化感知外部磁場。同時運用掃描的方法構建三維磁成像。該方法能夠提供非常高的空間分辨率(300nm)，在很寬的溫度范圍(1mK-500K)能夠得到比較好的磁場靈敏度。

基于固態(tài)自旋的磁強計：主要有使用掃描探針技術的磁共振力顯微鏡，它的主要部件為鍍了鐵磁性探針的針尖。當探針接近材料表面時，由于產(chǎn)生磁場梯度，探針針尖與材料表面之間產(chǎn)生微小力(10G nm^-1)。當自旋方向做周期跳動時，探針振動發(fā)生變化，反映自旋的變化，振動振幅通過激光干涉儀讀出。該方法的磁場檢測靈敏度由探針熱噪聲決定。噪聲功率譜密度為κ，ω₀，Q分別為探針彈性系數(shù)，共振頻率和品質(zhì)因子。檢測針尖位移的懸臂梁反射造成的光子散粒噪聲遠遠小于熱噪聲，可以忽略。此外，核自旋集群磁化的統(tǒng)計學漲落表示為N為自旋數(shù)量，該參數(shù)也是影響磁測靈敏度的因素之一。MRFM的空間分辨率與磁場梯度成正比，隨被測物尺寸的增大而降低。探針針尖足夠小的情況下，MRFM的分辨率可以輕松達到10nm。